Материалы матриц

Матрица должна обеспечивать монолитность композита, фиксировать форму изделия и взаимное расположение армирующих волокон, а также равномерную нагрузку на армирующие волокна и перераспределение нагрузки в случае разрушения части волокон. Материал матрицы должен обладать комплексом свойств – механических, физических, химических, от которых зависит возможность эксплуатации композита в различных условиях. Прочность матрицы должна быть такой, чтобы обеспечить совместную работу всех армирующих элементов. При нагрузках, приложенных в направлениях, отличных от ориентации волокна, прочность композита определяется в основном прочностью матрицы. Природа матрицы обусловливает также уровень рабочих температур и среду эксплуатации композита.

В качестве материала для изготовления матриц наибольшее применение нашли полимеры, углерод и металлы.

Полимерные матрицы изготавливают из термореактивных эпоксидных и полиэфирных смол, а также из целого ряда термопластичных пластмасс. Окончательные свойства полимерная матрица приобретает в результате отверждения (для реактопластов), при этом материал матрицы должен иметь низкую усадку.

Недостатки пластиков – их низкие жесткость, прочность и теплостойкость. Более высокая теплостойкость присуща термореактивным пластмассам. Наиболее теплостойкими (до 300...350 °С) являются кремнийорганические и полиамидные пластмассы (табл. 13.1).

Таблица 13.1

Свойства полимерных матриц

Матрица	Усадка изделия, %	Теплостойкость, °С	KCU, кДж/м2	σв• МПа	Е, ГПа
Эпоксидная	1,1	160	7	80	3,2
Фенолформальдегидная	1,6	180	4	45	4,0
Кремнийорганическая	2,5	280	3	30	4,5
Полиэфирная	5,8	70	8	45	2,3
Полиамидная	-	100	10	75	-
Поликарбонаты	-	140	20	70	-

Эпоксидные смолы нашли широкое применение для изготовления матриц. Они обладают более высокими механическими свойствами по сравнению с другими полимерами, что обеспечивает композиционным материалам на их основе большую прочность. Отверждение происходит при низких температурах и с небольшой усадкой (см. табл. 13.1). При изготовлении деталей не требуется высоких давлений. Последнее обстоятельство важно для композитов, армированных высокопрочными, хрупкими волокнами, поскольку в процессе изготовления композита снижается вероятность их повреждения.

Углеродная матрица отличается высокими значениями механических характеристик, высокой теплостойкостью (свыше 2000 °С в неокислительной среде), низкими коэффициентами трения и температурного расширения, высокой химической стойкостью.

Металлическая матрица характеризуется высокими значениями прочности, ударной вязкости, модуля упругости. Металлы сохраняют свои свойства в более широком интервале температур, чем полимеры. В качестве матричных материалов преимущественно используют алюминий, титан, сплавы на их основе и магниевые сплавы.

В качестве матричного материала на основе алюминия применяют как технический алюминий, так и сплавы на его основе: АМц, АМг2, АМг6, Д16, Д20, В95 и др. Использование этих сплавов позволяет изменять механические характеристики матриц в достаточно широком диапазоне: предел прочности от 130...300 МПа – сплавы АМц, АМг и до 500...600 МПа – сплавы Д16 и В95. Модуль упругости алюминиевых сплавов – около 70 ГПа. Сплавы обладают малой плотностью, высокой коррозионной стойкостью. Для алюминиевых сплавов характерна высокая технологичность, они пластичны, хорошо обрабатываются резанием, заготовки могут быть получены сваркой.

Магниевые сплавы обладают меньшей плотностью, чем алюминиевые, но уступают им по прочности, модулю упругости и технологичности. Так, предел прочности сплавов МА2-1, МА5, МА8, используемых в качестве матричных материалов, составляет 250...300 МПа, модуль упругости – около 40 ГПа. Горячая пластичность этих сплавов ниже, чем алюминиевых.

Титановые сплавы (используют, например, сплав состава: 90% Ti, 6% А1, 4% V) имеют более высокие, чем у алюминиевых и магниевых сплавов, модуль упругости (Е = 140 ГПа) и предел прочности (до 1000 МПа). Они сохраняют прочность при нагреве до 300...450 °С. У сплавов в горячем состоянии отмечается удовлетворительная пластичность. Однако для их пластической деформации необходимы высокие напряжения, что затрудняет получение композитов с хрупкими армирующими волокнами.